Validation of Aeolus wind products above the Atlantic Ocean

In August 2018, the first Doppler wind lidar in space called Atmospheric Laser Doppler Instrument (ALADIN) was launched on board the satellite Aeolus by the European Space Agency (ESA). Aeolus measures profiles of one horizontal wind component (i.e., mainly the west-east direction) in the troposphere and lower stratosphere on a global basis. Furthermore, profiles of aerosol and cloud properties can be retrieved via the high spectral resolution lidar (HSRL) technique. The Aeolus mission is supposed to improve the quality of weather forecasts and the understanding of atmospheric processes. We used the opportunity to perform a unique validation of the wind products of Aeolus by utilizing the RV Polarstern cruise PS116 from Bremerhaven to Cape Town in November/December 2018. Due to concerted course modifications, six direct intersections with the Aeolus ground track could be achieved in the Atlantic Ocean west of the African continent. For the validation of the Aeolus wind products, we launched additional radiosondes and used the EARLINET/ACTRIS lidar Polly XT for atmospheric scene analysis. The six analyzed cases prove that Aeolus is able to measure horizontal wind speeds in the nearly west-east direction. Good agreements with the radiosonde observations could be achieved for both Aeolus wind products-the winds observed in clean atmospheric regions called Rayleigh winds and the winds obtained in cloud layers called Mie winds (according to the responsible scattering regime). Systematic and statistical errors of the Rayleigh winds were less than 1.5 and 3.3ms-1, respectively, when compared to radiosonde values averaged to the vertical resolution of Aeolus. For the Mie winds, a systematic and random error of about 1ms-1 was obtained from the six comparisons in different climate zones. However, it is also shown that the coarse vertical resolution of 2km in the upper troposphere, which was set in this early mission phase 2 months after launch, led to an underestimation of the maximum wind speed in the jet stream regions. In summary, promising first results of the first wind lidar space mission are shown and prove the concept of Aeolus for global wind observations. © 2020 Author(s)

CADEX and beyond: Installation of a new PollyXT site in Dushanbe

During the 18-month Central Asian Dust Experiment we conducted continuous lidar measurements at the Physical Technical Institute of the Academy of Sciences of Tajikistan in Dushanbe between 2015 and 2016. Mineral dust plumes from various source regions have been observed and characterized in terms of their occurrence, and their optical and microphysical properties with the Raman lidar PollyXT. Currently a new container-based lidar system is constructed which will be installed for continuous long-term measurements in Dushanbe. © 2019 The Authors, published by EDP Sciences

Charakterisierung von Winston-Cones und Entwicklung einer Integrierenden Kavität im Terahertz-Spektralbereich

Terahertz-Strahlung gewinnt in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. In der Astronomie liegen wichtige Emissionsspektren in diesem spektralen Bereich. Sie durchdringt interstellares Gas, sodass Einblicke in das Zentrum unserer Galaxie möglich sind. In der sicherheitsrelevanten Technik ist Terahertz-Strahlung durch ihre spezielle Eigenschaft ein neues und innovatives Feld. Textilien werden mühelos durch strahlt, Flüssigkeiten absorbieren die Strahlung. Hierdurch ist es möglich auch schwer detektierbare flüssige Sprengstoffe zu detektieren. Durch diese neuartige Technologie werden Scannersysteme zur Überwachung von großen sicherheitsrelevanten Bereichen, wie Flughäfen oder U-Bahnen, denkbar. Hierzu ist es notwendig, bei aktiven sowie bei passiven Systemen das Signal aus einem bestimmten Segment des Raums möglichst genau zu detektieren. Auch bei aktiven Systemen werden relativ niedrige Leistungen für eine Detektion erwartet, da die Sendeleistung kleiner als 1mW ist. Um jedoch ein relativ schwaches Signal effizient nachzuweisen sind gute Detektorsysteme notwendig. Hierzu gehören die so genannten Winston-Cones, die eine effektive Detektion von schwachen Signalen ermöglichen. Winston-Cones wurden im Jahr 1969 von Roland Winston entwickelt. Sie sind ein adäquates Mittel für Anwendungen, bei denen Licht aus einem bestimmten Raumsegment gesammelt wird ohne eine Abbildung zu erzielen. Diese Systeme erweisen sich als äußerst praktisch bei Fragestellungen, bei denen das Signal ohnehin schon schwach ist, da sie nahezu verlustfrei arbeiten. Das wird durch Reflexion an dem Material, aus dem der Cone gefertigt ist, sichergestellt. Im Gegensatz zu mit Linsen abbildenden Systemen sind keine Übergänge zwischen verschiedenen Medien an denen Verluste durch Reflexion auftreten könnten vorhanden, das Licht bewegt sich immer im Medium Luft. Licht, welches innerhalb eines bestimmten Akzeptanzwinkels in den Cone einfällt, wird über Reflexion durch den Winston-Cone hindurch geführt und aus der Austrittsapertur wieder emittiert. Die Austrittsapertur ist hierbei deutlich kleiner als die Eintrittsapertur, bildlich lässt sich ein Winston-Cone als ein "Lichtsammeltrichter"mit einer speziellen Form vorstellen. Die Eigenschaften von Winston-Cones sind im sichtbaren Spektrum des Lichtes, also zwischen 450nm und 700nm, gut bekannt und haben sich bewährt. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, wie sich Winston-Cones in einem Spektralbereich des Lichtes, in dem die Gesetze der Strahlenoptik nicht mehr anzuwenden sind, verhalten. Der gewählte Spektralbereich ist das sogenannte Terahertz-Spektrum, welches Wellenlängen zwischen 50f,Lm und 1mm beinhaltet. Daher müssen neben der Wellennatur des Lichtes auch die daraus resultierenden Effekte wie Beugung beachtet werden. Hierzu werden verschiedene Winston-Cones und ein sogenannter "Straight-Cone" mit Lasern, welche im Terahertz-Spektralbereich arbeiten, bestrahlt und ihre Charakteristik vermessen. Ein "Straight-Cone" ist ein Cone, dessen Form im Gegensatz zu einem Winston-Cone nicht einer quadratischen Funktion sondern einer linearen Funktion folgt. Zum Vermessen der einzelnen Cones werden Versuchsaufbauten konzeptioniert. Die jeweiligen Strahlprofile der Laser, die als Lichtquelle in den Testaufbauten dienen, werden bestimmt, um Effekte zu minimieren oder zu berücksichtigen, die durch höhere Mode auftreten, also eine Abweichung vom Gauß'schen Profils des Laserstrahls. Referenzdaten werden durch eine Messung mit einem Schwarzkörperstrahler gewonnen, der ein breitbandiges Spektrum emittiert. Die Emissionsverteilungen der Cones werden mit einer Kamera dargestellt. Hierdurch werden die Eigenschaften der einzelnen Cones sichtbar, also deren charakteristische Akzeptanzwinkel und deren winkelabhängige Empfangscharakteristik. Diese werden durch verschiedene Parameter wie Baulänge, Eintrittsapertur und Form bestimmt. Außerdem wird der Versuchsaufbau mittels einer speziellen Software modelliert, die speziell für Anwendungen der Gauß'schen Optik konzeptioniert wurde, um die gemessenen Ergebnisse zu simulieren. Zudem wird eine integrierende Kavität entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Hohlkörper, der gewährleistet, dass der Strahl, der aus der Austrittsapertur des Cone emittiert wird, in einen "Brennpunkt" fokussiert wird, in dem ein Detektorelement angebracht ist. Das ermöglicht gerade bei schwachen Signalen, bei denen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis schlecht ist, effektiv zu messen, da die Kavität die einfallende Strahlungsleistung in das Detektorelement fokussiert. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird hierdurch verbessert. Als Detektorelement wird ein Hot-Elecron-Bolometer, ein spezieller Empfänger für Strahlung im Terahertz-Spektralbereich, verwendet. Bisher realisierte Systeme, die hauptsächlich mittels Linsen realisiert werden, koppeln die zu empfangenden Signale in den Detektor ein. Diese haben den Vorteil, dass sie keine Verluste durch Reflexion an Grenzflächen, im Gegensatz zu Linsen, aufweisen. Die integrierende Kavität ermöglicht zudem, dass in sie ein gekoppelte Leistung nicht nur einmalig das Empfängerelement passiert und somit detektiert werden kann, sondern, bedingt durch die spezielle Form des Hohlraums, über Mehrfachreflexion auf das Empfängerelement reflektiert wird. Möglichst das gesamte Licht, welches in die Kavität eintritt, wird auf den Detektor reflektiert und somit eine höhere Effektivität des Gesamtsystems bereitstellt. Durch die Kenntnis der Charakteristik des Gesamt-Empfängersystems lassen sich nun auch nicht bekannte Terahertzquellen charakterisieren und eine Aussage über deren Abstrahlverhalten treffen. Im Rahmen dieser Arbeit werden drei verschiedene Cones mit verschiedenen Strahlungsquellen bestrahlt und die austrittsaperturseitige Lichtverteilung sowie das winkelabhängige Empfangsprofil gemessen. Als Strahlungsquellen stehen eine Kaltlichtquelle, ein THz-Laser, eine frequenzvervielfachte Quelle sowie ein Schwarzkörperstrahler zur Verfügung. Messungen werden sowohl im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums als auch im THz-Bereich mit monochomatischen und breitbandigem Licht bestrahlt. Als Detektor werden eine Kamera sowie eine Golay-Zelle verwendet. Eine Software zur Modellierung von Winston-Cones wird erstellt, um die Messungen mit Simulationen zu vergleichen. Im visuellen Spektrum verhält sich nur ein Cone so wie die der Simulationsergebnisse es vorhersagen, die anderen zeigen Abweichungen vom erwarteten Ergebnis. Im THz-Spektralbereich zeigen alle Cones Abweichungen des Empfangsprofils von der Simulation. Diese liegen in einer leichten Verschiebung der Detektorfläche gegen die Austrittsapertur der Cones begründet. Der Detektor liegt also nicht exakt auf der optischen Achse. Ein Korrekturwert wird bestimmt und in der Simulation berücksichtigt. Es zeigen nun zwei der insgesamt drei vermessenen Cones Ergebnisse die sich mit der Simulation decken, d. h. einer der Cones weist ganz offensichtlich nicht die erwartete Formgebung auf

CADEX and beyond: Installation of a new Polly

During the 18-month Central Asian Dust Experiment we conducted continuous lidar measurements at the Physical Technical Institute of the Academy of Sciences of Tajikistan in Dushanbe between 2015 and 2016. Mineral dust plumes from various source regions have been observed and characterized in terms of their occurrence, and their optical and microphysical properties with the Raman lidar PollyXT. Currently a new container-based lidar system is constructed which will be installed for continuous long-term measurements in Dushanbe

Aerosol measurements with a shipborne Sun-sky-lunar photometer and collocated multiwavelength Raman polarization lidar over the Atlantic Ocean

A shipborne Sun-sky-lunar photometer of type CE318-T was tested during two trans-Atlantic cruises aboard the German research vessel Polarstern from 54ĝ N to 54ĝ S in May/June and December 2018. The continuous observations of the motion-stabilized shipborne CE318-T enabled the first-time observation of a full diurnal cycle of aerosol optical depth (AOD) and column-mean Ångström coefficient of a mixed dust-smoke episode. The latitudinal distribution of the AOD from the shipborne CE318-T, Raman lidar and MICROTOPS II shows the same trend with highest values in the dust belt from 0 to 20ĝ N and overall low values in the Southern Hemisphere. The linear-regression coefficients of determination between MICROTOPS II and the CE318-T were 0.988, 0.987, 0.994 and 0.994 for AODs at 380, 440, 500 and 870 nm and 0.896 for the Ångström exponent at 440-870 nm. The root-mean-squared differences of AOD at 380, 440, 500 and 870 nm were 0.015, 0.013, 0.010 and 0.009, respectively